專利名稱:基于生長和代謝特征的底物流加發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物化工技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種發(fā)酵生產(chǎn)1，3-丙二醇的控制技術(shù)，尤其涉及一種批式流加發(fā)酵生產(chǎn)1，3_丙二醇過程的與細胞生長和代謝特征相耦聯(lián)的底物流加自動控制方法。
背景技術(shù)：
1，3_丙二醇(英文名1，3-Pr0panedi0l，簡稱1，3_PD)是一種極其重要的化工原料，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。1，3-PD可作為增塑劑、洗滌劑、防腐劑和乳化劑的合成原料，也可作為如打印機墨水、清潔劑、穩(wěn)定劑和燃料電池燃料等產(chǎn)品中的添加劑來提高產(chǎn)品的性能；1，3-PD可作為醫(yī)藥和有機合成的中間體，用于食品、化妝品和制藥等行業(yè)；1，3-PD可替代乙二醇、1，4-丁二醇和新戊二醇等中間體生產(chǎn)多醇聚酯及作為碳鏈延伸劑；1，3-PD最主要的用途是作為合成聚酯和聚氨酯的單體，尤其是作為新型聚酯——聚對苯二甲酸丙二酯 (PTT)的單體。PTT是繼聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)之后的又一極有發(fā)展前途的新型聚酯材料，是一種高性能、易加工的新型熱塑性聚酯材料，具有優(yōu)異的彈性復(fù)性和低溫染色性能，在地毯工業(yè)、服裝材料和工程熱塑料等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前，1,3-PD的工業(yè)化生產(chǎn)方法分為化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵法。微生物發(fā)酵法因其具有原料來源廣泛、操作條件溫和及環(huán)境污染小等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。批式流加發(fā)酵生產(chǎn)1，3-PD是微生物發(fā)酵法的主要生產(chǎn)方式，因為這種方式可以獲得較高的產(chǎn)物濃度和轉(zhuǎn)化率。批式流加發(fā)酵過程中的底物濃度是影響1，3-PD產(chǎn)量的關(guān)鍵性控制變量。目前世界上除杜邦公司采用以葡萄糖為底物一步發(fā)酵生產(chǎn)1，3-PD工藝外，其他工藝均以甘油為底物一步發(fā)酵生產(chǎn)1，3_PD。以甘油為底物發(fā)酵生產(chǎn)1，3-PD是一個典型的生長耦聯(lián)型過程，產(chǎn)物形成與細胞生長密切相關(guān)。細胞生長與底物濃度密切相關(guān)，底物濃度過高會對細胞生長產(chǎn)生抑制，濃度過低則限制細胞生長，兩種情形都不利于1，3-PD的生產(chǎn)，為此需要將底物濃度控制在一個合理的范圍內(nèi)。但由于甘油濃度難以在線快速檢測，因此發(fā)酵過程中底物流加的自動控制一直是一個難以解決的關(guān)鍵性問題。盡管國內(nèi)外都有學(xué)者嘗試解決這個問題，如德國學(xué)者A. Reimann和H. Biebl最早提出甘油流加與pH調(diào)節(jié)相耦聯(lián)的策略 (Biotech Lett, 1996，18 (7) =827-832)，清華大學(xué)程可可等人采用甘油與堿耦合和恒速流加甘油相結(jié)合的控制策略(食品與發(fā)酵工業(yè)，2004，30 (4))，北京化工大學(xué)譚天偉等提出的反饋補料控制技術(shù)(公開號CN101153^2A)，但這些方法都是根據(jù)經(jīng)驗來控制甘油濃度，而沒有依據(jù)細胞生長和代謝的特征進行精確地自動控制。本發(fā)明通過發(fā)酵動力學(xué)分析，建立了底物消耗與菌體生長(通過尾氣中(X)2濃度表征)和代謝(通過堿液消耗量表征)之間的函數(shù)關(guān)系，并通過實驗數(shù)據(jù)擬合確定了相關(guān)系數(shù)值，進而得到了發(fā)酵不同階段的底物流加策略，實現(xiàn)了發(fā)酵過程中底物濃度的自動控制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供ー種以甘油為底物發(fā)酵生產(chǎn)1，3_PD的底物流加 自動控制方法，主要包括三方面內(nèi)容(1)與菌體生長特性及代謝特性相耦聯(lián)的底物流加 控制函數(shù)推導(dǎo)；⑵底物流加速率同尾氣CO2濃度和PH值相耦聯(lián)的分段控制方案；(3)自動 檢測和流加自動控制。
本發(fā)明中發(fā)酵過程中底物甘油的流加方案取決于發(fā)酵罐尾氣中(X)2濃度的變化， 而底物的流加速率則通過(X)2濃度和堿液的消耗速率由相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式確定。當尾氣中 CO2濃度呈逐漸增加趨勢，菌體生長處于對數(shù)生長期吋，底物消耗速率與CO2濃度及堿液消 耗速率相關(guān)；而(X)2濃度呈逐漸下降趨勢，菌體生長處于穩(wěn)定或衰亡期吋，底物消耗速率與 堿液消耗速率呈線性關(guān)系。依據(jù)這兩個關(guān)系式，通過計算機、傳感器和相應(yīng)的輸送設(shè)備構(gòu)成 自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)1，3_丙ニ醇發(fā)酵過程中底物流加的自動控制，將底物濃度控制在ー個 合理的水平，既有利于細胞生長，又有利于目標產(chǎn)物的形成。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，先推導(dǎo)與菌體生長特性及代謝特 性相耦聯(lián)的底物流加控制函數(shù)，然后通過人工控制進行厭氧發(fā)酵實驗，初步確定底物流加 控制函數(shù)中與細胞生長和代謝特征相關(guān)的參數(shù)，并根據(jù)不同時期細胞生長的特點設(shè)計底物 流加方案，再將此底物流加自動控制系統(tǒng)用于發(fā)酵實驗；
步驟1、推導(dǎo)與菌體生長及代謝特性相耦聯(lián)的底物流加控制函數(shù)。
發(fā)酵過程中由于不斷流加甘油和堿液導(dǎo)致發(fā)酵液體積不斷變化。消耗的底物一部 分用于合成菌體，另一部分用于維持細胞生命活動和生成代謝產(chǎn)物。假設(shè)發(fā)酵過程符合均 衡生長的非結(jié)構(gòu)模型，則底物消耗可由下列方程描述
權(quán)利要求
1. 一種基于生長和代謝特征的底物流加發(fā)酵生產(chǎn)1，3-丙二醇的控制方法，其特征在于(1)在菌體對數(shù)生長期，底物消耗速率與堿溶液的消耗速率和CO2濃度之間的函數(shù)關(guān)系為F1 = Iipk2F2 ；在菌體穩(wěn)定生長期，底物消耗量與堿溶液的消耗量之間的函數(shù)關(guān)系為 F1 = b+k3F2 ；其中=F1為底物消耗速率；C為(X)2濃度；F2為堿液消耗速率；kp k2, k3、b為常數(shù)，其數(shù)值通過預(yù)實驗數(shù)據(jù)擬合得到；(2)將上述得到的函數(shù)關(guān)系式代入發(fā)酵控制系統(tǒng)的計算機中，根據(jù)PH和(X)2濃度控制在線發(fā)酵；發(fā)酵控制系統(tǒng)包括發(fā)酵罐、計算機、PH電極、CO2分析儀、堿液輸送泵和底物輸送泵；通過該系統(tǒng)自動控制發(fā)酵PH，并記錄補堿速率F2 ；CO2分析儀檢測出來的(X)2濃度值傳送至計算機，經(jīng)分析比較不同時刻CO2濃度的變化后，指令底物輸送泵按不同的流加方案進行補料，以此控制發(fā)酵液中的底物濃度。
專利摘要
本發(fā)明公開了基于生長和代謝特征的底物流加發(fā)酵生產(chǎn)1，3-丙二醇的控制方法，屬于生物化工技術(shù)領(lǐng)域：
。首先推導(dǎo)出與菌體生長及代謝特性相耦聯(lián)的底物流加控制函數(shù)，對數(shù)生長期F1＝k1C+k2F2(1)，穩(wěn)定期F1＝b+k3F2(2)；然后通過人工控制發(fā)酵，確定k1、k2、k3和b的值。流加方案的選擇取決于CO2濃度Ct+1＞Ct時，執(zhí)行方案(1)；Ct+1＜Ct時，執(zhí)行方案(2)；最后建立了一套在線檢測及自動控制發(fā)酵系統(tǒng)，使其發(fā)酵過程中底物濃度始終為18±2g/L，1，3-PD濃度達到82.64g/L，與人工控制的55.25g/L比較，提高了33.14％。本發(fā)明實現(xiàn)了發(fā)酵過程中底物濃度的在線自動控制，解決了人工控制的不穩(wěn)定性，并有效地提高了1，3-PD的濃度。
文檔編號C12P7/18GKCN101845463 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 201010165846
公開日2012年7月4日 申請日期2010年5月7日
發(fā)明者修志龍, 姜珊, 宋志遠, 滕虎 申請人:大連理工大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan非專利引用 (3),